JP7707868B2 - エンジン装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン装置に関する。

従来、この種のエンジン装置としては、筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁を有するエンジンと、エンジンの排気系に取り付けられた触媒と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０２０－０７９５８０号公報

こうしたエンジン装置では、エンジンの始動完了後に、粒子状物質の排出の抑制と触媒の暖機との両方が要求される場合があり、この場合にどのように対処するかが課題とされている。

本発明のエンジン装置は、エンジンからの粒子状物質の排出の抑制と触媒の暖機との両方が要求されている場合に、より適切に対処することを主目的とする。

本発明のエンジン装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のエンジン装置は、
エンジンと、
前記エンジンの排気を浄化する触媒と、
前記エンジンを制御する制御装置と、
を備えるエンジン装置であって、
前記制御装置は、
前記エンジンの始動完了後に、
前記触媒の暖機が要求されているときには、前記触媒の暖機が促進されるように前記エンジンを制御する触媒暖機制御を実行し、
前記触媒の暖機が要求されておらずに且つ前記粒子状物質の排出の抑制が要求されているときには、前記粒子状物質の排出が抑制されるように前記エンジンを制御する粒子状物質抑制制御を実行する、
ことを要旨とする。

本発明のエンジン装置では、エンジンの始動完了後に、触媒の暖機が要求されているときには、触媒の暖機が促進されるようにエンジンを制御する触媒暖機制御を実行し、触媒の暖機が要求されておらずに且つ粒子状物質の排出の抑制が要求されているときには、粒子状物質の排出が抑制されるようにエンジンを制御する粒子状物質抑制制御を実行する。即ち、触媒の暖機と粒子状物質の排出の抑制との両方が要求されているときには、触媒暖機制御を粒子状物質抑制制御よりも優先して実行するのである。これにより、触媒の活性化に要する時間が長くなるのを抑制することができる。

本発明のエンジン装置において、前記エンジンは、筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁を有し、前記制御装置は、前記粒子状物質抑制制御では、吸気行程で２回に分けて前記筒内噴射弁から燃料噴射を行なうものとしてもよい。また、前記制御装置は、前記触媒暖機制御では、点火遅角を行なうものとしてもよい。

本発明のエンジン装置において、前記エンジンの始動完了後に、前記触媒の暖機が要求されていないときには、積算空気量が閾値未満であるときに、前記粒子状物質の排出の抑制が要求されているとして、前記粒子状物質抑制制御を実行するものとしてもよい。この場合、前記閾値は、前記エンジンの冷却水温が低いほど大きくなるように設定するものとしてもよい。

本発明の一実施例としてのエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図である。 電子制御ユニット７０により実行される始動完了後制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 閾値設定用マップの一例を示す説明図である。 エンジン１２の出力と筒内噴射弁２６からの噴射方法と粒子状物質の排出量との関係の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図である。実施例のエンジン装置１０は、図示するように、エンジン１２と、燃料供給装置５０と、電子制御ユニット７０（制御装置）とを備える。このエンジン装置１０は、例えば、エンジン１２からの動力を用いて走行すると共にいわゆるアイドルストップが可能なエンジン車や、エンジン１２に加えてモータを備えると共にエンジン１２を間欠運転しながら走行可能なハイブリッド車などに搭載される。

エンジン１２は、例えばガソリンやガソリンとアルコールとの混合燃料などを燃料として吸気・圧縮・膨張・排気の４行程により動力を出力する内燃機関として構成されている。このエンジン１２は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁２５と、筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁２６とを備える。エンジン１２は、ポート噴射弁２５と筒内噴射弁２６とを備えることにより、ポート噴射モードと筒内噴射モードと共用噴射モードとのうちの何れかで運転が可能となっている。

ポート噴射モードでは、エアクリーナ２２により清浄された空気を吸気管２３に吸入してスロットルバルブ２４を通過させると共にポート噴射弁２５から燃料を噴射し、空気と燃料とを混合する。そして、この混合気を吸気バルブ２８を介して燃焼室２９に吸入し、点火プラグ３０による電気火花により爆発燃焼させ、爆発燃焼によるエネルギによりシリンダボア３１内で押し下げられるピストン３２の往復運動をクランクシャフト１４の回転運動に変換する。筒内噴射モードでは、ポート噴射モードと同様に空気を燃焼室２９に吸入し、吸気行程や圧縮行程で筒内噴射弁２６から燃料を噴射し、点火プラグ３０による電気火花により爆発燃焼させてクランクシャフト１４の回転運動を得る。共用噴射モードでは、空気を燃焼室２９に吸入する際にポート噴射弁２５から燃料を噴射すると共に吸気行程や圧縮行程で筒内噴射弁２６から燃料を噴射し、点火プラグ３０による電気火花により爆発燃焼させてクランクシャフト１４の回転運動を得る。これらの噴射モードは、エンジン１２の運転状態などに基づいて切り替えられる。燃焼室２９から排気バルブ３３を介して排気管３４に排出される排気は、浄化装置３５を介して外気に排出される。浄化装置３５は、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を浄化する触媒（三元触媒）３４ａを有する。なお、触媒３５ａは、三元触媒の浄化機能と排気中の煤などの粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集する捕集機能とを組み合わせた四元触媒が用いられるものとしてもよい。

燃料供給装置５０は、燃料タンク５１内の燃料をエンジン１２のポート噴射弁２５や筒内噴射弁２６に供給する装置として構成されている。燃料供給装置５０は、燃料タンク５１と、フィードポンプ５２と、低圧供給管５３と、逆止弁５４と、リリーフ管５５と、リリーフバルブ５６と、高圧ポンプ５７と、高圧供給管５８とを備える。

フィードポンプ５２は、図示しないバッテリからの電力の供給を受けて作動する電動ポンプとして構成されており、燃料タンク５１内に配置されている。このフィードポンプ５２は、燃料タンク５１内の燃料を低圧供給管５３に供給する。低圧供給管５３は、ポート噴射弁２５に接続されている。逆止弁５４は、低圧供給管５３に設けられており、フィードポンプ５２側からポート噴射弁２５側の方向の燃料の流れを許容すると共に逆方向の燃料の流れを規制する。

リリーフ管５５は、低圧供給管５３と燃料タンク５１とに接続されている。リリーフバルブ５６は、リリーフ管５５に設けられ、低圧供給管５３内の燃圧が閾値Ｐｆｌｏｌｉｍ未満のときには閉弁すると共に低圧供給管５３内の燃圧が閾値Ｐｆｌｏｌｉｍ以上のときには開弁する。リリーフバルブ５６が開弁すると、低圧供給管５３内の燃料の一部がリリーフ管５５を介して燃料タンク５１に戻される。このようにして、低圧供給管５３内の燃圧が過剰になるのを抑制する。

高圧ポンプ５７は、エンジン１２からの動力（実施例では、吸気バルブ２８を開閉するインテークカムシャフトの回転）により駆動されると共に低圧供給管５３の燃料を加圧して高圧供給管５８に供給するポンプとして構成されている。高圧ポンプ５７は、その吸入口に接続されて燃料を加圧する際に開閉する電磁バルブ５７ａと、その吐出口に接続されて燃料の逆流を規制すると共に高圧供給管５８内の燃圧を保持するチェックバルブ５７ｂと、エンジン１２の回転（インテークカムシャフトの回転）により作動する（図１における上下方向に移動する）プランジャ５７ｃとを有する。この高圧ポンプ５７は、エンジン１２の運転中に、電磁バルブ５７ａが開弁されたときに、低圧供給管５３の燃料を吸入し、電磁バルブ５７ａが閉弁されたときに、プランジャ５７ｃによって圧縮した燃料をチェックバルブ５７ｂを介して高圧供給管５８に断続的に送り込むことにより、高圧供給管５８に供給する燃料を加圧する。

電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７１やＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３、フラッシュメモリ７４、入出力ポートを有するマイクロコンピュータを備える。電子制御ユニット７０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット７０に入力される信号としては、例えば、エンジン１２のクランクシャフト１４の回転位置を検出するクランクポジションセンサ１４ａからのクランク角θｃｒや、エンジン１２の冷却水の温度を検出する水温センサ１５からの冷却水温Ｔｗを挙げることができる。吸気バルブ２８を開閉するインテークカムシャフトの回転位置や排気バルブ３３を開閉するエキゾーストカムシャフトの回転位置を検出するカムポジションセンサ１６からのカム角θｃｉ，θｃｏも挙げることができる。スロットルバルブ２４のポジションを検出するスロットルポジションセンサ２４ａからのスロットル開度ＴＨや、吸気管２３のスロットルバルブ２４よりも上流側に取り付けられたエアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａ、吸気管２３のスロットルバルブ２４よりも上流側に取り付けられた温度センサ２３ｔからの吸気温Ｔａも挙げることができる。排気管３４の浄化装置３５よりも上流側に取り付けられたフロント空燃比センサ３７からの空燃比ＡＦｆや、排気管３４の浄化装置３５よりも下流側に取り付けられたリヤ空燃比センサ３８からのリヤ空燃比ＡＦｒも挙げることができる。燃料タンク５１に取り付けられた燃温センサ５１ｔからの燃温Ｔｆｔｎｋや、フィードポンプ５２に取り付けられた回転数センサ５２ａからのフィードポンプ５２の回転数Ｎｐ、低圧供給管５３のポート噴射弁２５付近（例えば、低圧デリバリパイプ）に取り付けられた燃圧センサ５３ｐからの低圧燃圧（ポート噴射弁２５に供給する燃料の圧力）ＰＬ、高圧供給管５８の筒内噴射弁２６付近（例えば、高圧デリバリパイプ）に取り付けられた燃圧センサ５８ｐからの高圧燃圧（筒内噴射弁２６に供給する燃料の圧力）ＰＨも挙げることができる。

電子制御ユニット７０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット７０から出力される信号としては、例えば、エンジン１２のスロットルバルブ２４への制御信号や、ポート噴射弁２５への制御信号、筒内噴射弁２６への制御信号、点火プラグ３０への制御信号を挙げることができる。燃料供給装置５０のフィードポンプ５２への制御信号や、高圧ポンプ５７の電磁バルブ５７ａへの制御信号も挙げることができる。

電子制御ユニット７０は、クランクポジションセンサ１４ａからのクランク角θｃｒに基づいてエンジン１２の回転数Ｎｅを演算している。また、電子制御ユニット７０は、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａとエンジン１２の回転数Ｎｅとに基づいて、負荷率（エンジン１２の１サイクルあたりの行程容積に対する１サイクルで実際に吸入される空気の容積の比）ＫＬを演算している。さらに、電子制御ユニット７０は、水温センサ１５からの冷却水温Ｔｗや、エンジン１２の回転数Ｎｅや負荷率ＫＬ、点火時期に基づいて、浄化装置３５の触媒３５ａの温度Ｔｃを推定している。

こうして構成された実施例のエンジン装置１０では、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７１は、エンジン１２に要求される目標負荷率ＫＬ＊に基づいて、エンジン１２の吸入空気量制御や燃料噴射制御、点火制御を行なうと共に、燃料供給装置５０のフィードポンプ５２や高圧ポンプ５７（電磁バルブ５７ａ）の制御を行なう。ここで、エンジン１２の制御については、基本的には、燃費や燃料の希釈、エミッション、ドライバビリティなどを考慮して、ポート噴射モードと筒内噴射モードと共用噴射モードとのうちの何れかで燃料噴射制御を行なうと共に、最適点火時期で点火制御を行なう。以下、こうしたエンジン１２の制御を「通常制御」という。

また、実施例のエンジン装置１０では、エンジン１２の始動条件が成立したときに、エンジン１２を始動する。ここで、エンジン１２の始動は、図示しないモータによりエンジン１２をクランキングしてエンジン１２の燃料噴射制御や点火制御を開始することにより行なわれる。エンジン１２の始動完了判定は、エンジン１２の各気筒に所定サイクル（例えば２サイクル）分ずつの燃料噴射を行なったときや、エンジン１２の完爆を検知したとき、高圧ポンプ５７の作動に伴って高圧燃圧ＰＨが閾値ＰＨｒｅｆ以上に至ったときなどに行なわれる。

次に、実施例のエンジン装置１０の動作、特に、エンジン１２における始動完了後の動作について説明する。図２は、電子制御ユニット７０により実行される始動後制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、エンジン１２の始動を完了したときに実行される。なお、実施例では、筒内噴射モードの場合について説明する。

図２の始動完了後制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０は、最初に、冷却水温Ｔｗや、積算空気量Ｑａｓ、触媒暖機要求フラグＦｃを入力する（ステップＳ１００）。ここで、冷却水温Ｔｗは、水温センサ１５により検出される。積算空気量Ｑａｓは、エアフローメータ２３ａにより検出される吸入空気量Ｑａの、エンジン１２の始動開始（クランキング開始）からの積算値として演算される。触媒暖機要求フラグＦｃは、触媒３５ａの暖機（触媒暖機）が要求されているときには値１が設定され、触媒暖機が要求されていない（完了している）ときには値０が設定される。触媒暖機の要求は、冷却水温Ｔｗや回転数Ｎｅ、負荷率ＫＬ、点火時期に基づいて推定される触媒３５ａの温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ未満である（触媒３５ａが未活性である）ときに行なわれる。

こうしてデータを入力すると、触媒暖機要求フラグＦｃの値を調べる（ステップＳ１１０）。触媒暖機要求フラグＦｃが値１であるときには、触媒暖機が要求されていると判断し、触媒暖機が促進されるようにエンジン１２を制御する触媒暖機制御を実行して（ステップＳ１２０）、ステップＳ１００に戻る。触媒暖機制御では、例えば、エンジン１２の出力（吸入空気量Ｑａ）が触媒暖機に適した出力Ｐｅ１（吸入空気量Ｑａ１）となると共に空燃比がリーンとなるように設定した目標燃料噴射量の燃料を吸気行程および／または圧縮行程で筒内噴射弁２６から噴射し、且つ、点火時期を最適点火時期よりも十分に遅くする。これにより、触媒３５ａの暖機の促進を図ることができる。

ステップＳ１１０で触媒暖機要求フラグＦｃが値０であるときには、触媒暖機が要求されていないと判断し、冷却水温Ｔｗに基づいて閾値Ｑａｓｒｅｆを設定すると共に（ステップＳ１３０）、積算空気量Ｑａｓを閾値Ｑａｓｒｅｆと比較する（ステップＳ１４０）。ここで、閾値Ｑａｓｒｅｆは、粒子状物質の排出の抑制が要求されているか否かを判定するのに用いられる閾値である。実施例では、冷却水温Ｔｗと閾値Ｑａｓｒｅｆとの関係を予め定めた閾値設定用マップに冷却水温Ｔｗを適用して閾値Ｑａｓｒｅｆを設定するものとした。図３は、閾値設定用マップの一例を示す説明図である。図示するように、閾値Ｑａｓｒｅｆは、冷却水温Ｔｗが低いほど大きくなるように設定される。これは、冷却水温Ｔｗが低いほど、ポート噴射弁２５や筒内噴射弁２６から噴射した燃料が気化しにくく、粒子状物質の排出量（粒子状物質数（ＰＮ：Particulate Number））が多くなりやすいためである。

ステップＳ１４０で積算空気量Ｑａｓが閾値Ｑａｓｒｅｆ未満であるときには、粒子状物質の排出の抑制が要求されていると判断し、粒子状物質の排出が抑制されるようにエンジン１２を制御する粒子状物質抑制制御（ＰＮ抑制制御）を実行して（ステップＳ１５０）、ステップＳ１００に戻る。ＰＮ抑制制御では、例えば、エンジン１２の出力（吸入空気量Ｑａ）が触媒暖機用の出力Ｐｅ１（吸入空気量Ｑａ１）よりも若干大きい出力Ｐｅ２（吸入空気量Ｑａ２）以下の範囲内となるように設定した目標燃料噴射量の燃料を吸気行程で２回（例えば、吸気行程の前半、後半で各１回）に分けて筒内噴射弁２６から噴射する。これにより、筒内噴射弁２６から噴射される燃料の噴射長を短くしてこの燃料がシリンダボア３１やピストン３２に当たるのを抑制することができると共に、この燃料の霧化時間を確保することができる。これらの結果、粒子状物質の排出量（粒子状物質数）を抑制することができる。図４は、エンジン１２の出力と筒内噴射弁２６からの噴射方法と粒子状物質の排出量との関係の一例を示す説明図である。発明者らは、解析などにより、図４の結果を得た。図４から、吸気行程で２回に分けて筒内噴射弁２６から燃料を噴射する場合に、吸気行程で１回と圧縮行程で１回とに分けて筒内噴射弁２６から燃料を噴射する場合に比して粒子状物質の排出量が少なくなることや、エンジン１２の出力が大きいほど両者の差が顕著になることが解る。

ステップＳ１４０で積算空気量Ｑａｓが閾値Ｑａｓｒｅｆ以上であるときには、通常制御を開始して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。通常制御では、触媒暖機制御やＰＮ抑制制御に比して、燃費や燃料の希釈、エミッション、ドライバビリティなどを優先することになる。

以上説明した実施例のエンジン装置１０では、エンジン１２の始動完了後に、触媒３５ａの暖機が要求されているときには、触媒暖機制御を実行し、触媒３５ａの暖機が要求されておらずに且つ粒子状物質の排出の抑制が要求されているときには、ＰＮ抑制制御を実行する。即ち、触媒３５ａの暖機と粒子状物質の排出の抑制との両方が要求されているときには、触媒暖機制御をＰＮ抑制制御よりも優先して実行するのである。これにより、触媒３５ａの活性化に要する時間が長くなるのを抑制することができる。

実施例のエンジン装置１０では、粒子状物質の排出の抑制が要求されているか否かの判定に用いる積算空気量Ｑａｓは、吸入空気量Ｑａの、エンジン１２の始動開始（クランキング開始）からの積算値として演算されるものとした。しかし、積算空気量Ｑａｓは、エンジン１２を始動する際にエンジン１２の回転数Ｎｅが閾値Ｎｅｒｅｆ以上に至ってからの積算値として演算されるものとしてもよい。

実施例のエンジン装置１０では、粒子状物質の排出の抑制が要求されているか否かの判定に用いる閾値Ｑａｓｒｅｆは、エンジン１２の冷却水温Ｔｗに基づいて設定されるものとした。しかし、閾値Ｑａｓｒｅｆは、エンジン１２の始動開始時の冷却水温Ｔｗである開始時水温Ｔｗｓｔに基づいて設定されるものとしてもよい。この場合、図３の閾値設定用マップの冷却水温Ｔｗを始動時水温Ｔｗｓｔに置き換えて用いるものとしてもよい。

実施例のエンジン装置１０では、触媒暖機制御やＰＮ抑制制御について、筒内噴射モードの場合について説明したが、共用噴射モードの場合も同様に考えることができる。共用噴射モードの場合、筒内噴射モードの場合に比して、筒内噴射弁２６からの噴射量が少なくなるから、粒子状物質の排出量をより抑制することができる。この場合、ポート噴射弁２５から１回でまとめて燃料を噴射するものとしてもよいし、複数回に分けて燃料を噴射するものとしてもよい。

実施例のエンジン装置１０では、エンジン１２は、ポート噴射弁２５および筒内噴射弁２６を備えるものとしたが、ポート噴射弁２５および筒内噴射弁２６のうちの何れかだけを備えるものとしてもよい。ポート噴射弁２５だけを有する場合、ＰＮ抑制制御では、ポート噴射弁２５から複数回に分けて燃料を噴射することが考えられる。また、この場合、エンジン１２の始動が完了する前でも、粒子状物質の排出の抑制が要求されているときには、ＰＮ抑制制御を実行するものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、エンジン１２が「エンジン」に相当し、触媒３５ａが「触媒」に相当し、電子制御ユニット７０が「制御装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、エンジン装置の製造産業などに利用可能である。

１０ エンジン装置、１２ エンジン、１４ クランクシャフト、１４ａ クランクポジションセンサ、１５ 水温センサ、１６ カムポジションセンサ、２２ エアクリーナ、２３ 吸気管、２３ａ エアフローメータ、２３ｔ 温度センサ、２４ スロットルバルブ、２４ａ スロットルポジションセンサ、２５ ポート噴射弁、２６ 筒内噴射弁、２８ 吸気バルブ、２９ 燃焼室、３０ 点火プラグ、３１ シリンダボア、３２ ピストン、３３ 排気バルブ、３４ 排気管、３５ 浄化装置、３５ａ 触媒、３７ フロント空燃比センサ、３８ リヤ空燃比センサ、５０ 燃料供給装置、５１ 燃料タンク、５１ｔ 燃温センサ、５２ フィードポンプ、５２ａ 回転数センサ、５３ 低圧供給管、５３ｐ 燃圧センサ、５４ 逆止弁、５５ リリーフ管、５６ リリーフバルブ、５７ 高圧ポンプ、５７ａ 電磁バルブ、５７ｂ チェックバルブ、５７ｃ プランジャ、５８ 高圧供給管、５８ｐ 燃圧センサ、７０ 電子制御ユニット、７１ ＣＰＵ、７２ ＲＯＭ、７３ ＲＡＭ、７４ フラッシュメモリ。

Claims (1)

1. エンジンと、
   前記エンジンの排気を浄化する触媒と、
   前記エンジンを制御する制御装置と、
   を備えるエンジン装置であって、
   前記制御装置は、
   前記エンジンの始動完了後に、
   前記触媒の暖機が要求されているときには、前記触媒の暖機が促進されるように前記エンジンを制御する触媒暖機制御を実行し、
   前記触媒の暖機が要求されておらずに且つ粒子状物質の排出の抑制が要求されているときには、前記粒子状物質の排出が抑制されるように前記エンジンを制御する粒子状物質抑制制御を実行する、
   エンジン装置。